(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼部と該燃焼部からの火炎及び排ガスをガイドし、前記火炎を囲む筒体とを有する熱源としての燃焼筒と、
前記燃焼筒を囲むように配置され、水素製造用原料を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記燃焼筒と前記改質器との間に形成された、前記燃焼筒からの排ガスが通過する排ガス流路と、を備え、
前記燃焼筒を取り囲むように、内周側から前記排ガス流路、改質器の順番で配置され、
前記燃焼筒の少なくとも前記筒体と、前記改質器との間の前記排ガス流路に、伝熱性が少なくとも空気より高く、前記排ガスからの熱を前記改質器に伝えるのを補助する粒状の伝熱媒体を配置し、
前記燃焼筒は、前記燃焼部から下方へ向けて前記排ガスを発生させると共に、前記筒体の下方の先端部側から前記排ガス流路に前記排ガスを供給し、
前記改質器の下部に改質ガスの出口を有し、前記燃焼筒からの排ガスは当該改質器下部の内側面に供給されてから、前記排ガス流路を通って上方に抜けることを特徴とする改質装置。
【請求項２】
粒状の前記伝熱媒体は、略球状であることを特徴とする請求項１記載の改質装置。
【請求項３】
前記筒体の先端部における外周面側に、粒状の前記伝熱媒体を下方から支持する伝熱媒体支持リングを配置し、
前記筒体の先端部には、内外を連通し、前記燃焼筒と前記排ガス流路とを連通する連通孔が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の改質装置。
【請求項４】
前記伝熱媒体はアルミナからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の改質装置。
【請求項５】
前記伝熱媒体はステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の改質装置。
【請求項６】
前記伝熱媒体はインコネル（登録商標）からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の改質装置。
【請求項７】
前記前記燃焼筒の前記筒体は、前記改質器の下部側まで延びていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、灯油等の水素製造用原料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを製造する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の改質装置として、上方に炎を噴出させるバーナと、バーナから発生した排ガスを上方に案内する内側輻射筒と、自由端とされている内側輻射筒の上端開口部から吹き出る排ガスを下方へ案内する排ガス流路と、排ガス流路を通過する排ガスの熱を用いて改質ガス燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質容器と、を中心部から径方向外側に向かって備えた円筒形の改質装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−３１２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、上記の改質装置にあっては、バーナから発生する排ガスを排ガス流路に通過させ、当該排ガスによって改質容器を熱しているが、単に排ガスを通過させただけの構成では、排ガスの熱を改質容器に十分に伝えることができない可能性があり、改質効率が悪くなるおそれがあった。また、改質容器に供給する熱量を増加させるためにバーナ及び内側輻射筒を大きくして、発生する排ガスを増加させた場合にあっては、装置が大型化してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、装置の大型化を図ることなく、水素製造用原料を効率よく改質することのできる改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る改質装置によれば、燃焼部と該燃焼部からの火炎及び排ガスをガイドする筒体とを有する熱源としての燃焼筒と、燃焼筒を囲むように配置され、水素製造用原料を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、燃焼筒と改質器との間に形成された、燃焼筒からの排ガスが通過する排ガス流路と、を備え、排ガス流路に、伝熱性が少なくとも空気より高く、排ガスからの熱を改質器に伝えるのを補助する伝熱媒体を配置したことを特徴とする。
【０００６】
この改質装置によれば、排ガス流路に伝熱性の高い伝熱媒体が配置されているため、排ガス流路を通過する排ガスからの熱を改質器に十分に伝えることができる。これによって、装置の大型化を図ることなく、水素製造用原料を効率よく改質することができる。また、燃焼筒に直接改質器が接するのではなく、その間に排ガス流路が設けられているため、改質器が燃焼筒の熱により直接炙られることがなく、改質器の触媒へのダメージを低減することができる。
【０００７】
本発明に係る改質装置において、伝熱媒体は、粒状あるいはフィン状であることが好ましい。この改質装置によれば、粒状やフィン状とすることによって、伝熱媒体の表面積を広くすることができるため、排ガス流路を通過する排ガスから十分に熱を受け取ることができるようになり、改質器へ効率よく熱を伝達することができる。また、適度の隙間を設けることができるため、排ガス流路内の不要な圧力損失の上昇を抑止することができる。
【０００８】
粒状の伝熱媒体を充填する場合、その伝熱媒体は略球状であることが好ましい。真球に近い略球状の伝熱媒体を用いることによって均一に充填することを可能とし、これによって、熱伝達効率を高くすることができる。
【０００９】
本発明に係る改質装置において、燃焼筒は、燃焼部から下方へ向けて排ガスを発生させると共に、筒体の下方の先端部側から排ガス流路に排ガスを供給し、筒体の先端部における外周面側に、粒状の伝熱媒体を下方から支持する環状の伝熱媒体支持リングを配置し、筒体の先端部には、内外を連通する連通孔が設けられていることが好ましい。この改質装置によれば、燃焼部に対する液だれなどを防止すべく、燃焼部から下方へ向けて排ガスを発生させ、筒体の下方の先端部側から排ガス流路に排ガスを供給する構成としたときに、筒体の外面側に配置された伝熱媒体支持リングを粒状の伝熱媒体を支持する支持部材として使用することができる。このとき、筒体の先端部に連通孔を設けることによって、排ガスを供給するための流路も十分確保することができる。
【００１０】
本発明に係る改質装置において、改質器の下部に改質ガスの出口を有し、燃焼筒からの排ガスは当該改質器下部の内側面に供給されてから、排ガス流路を通って上方に抜けることを特徴としてもよい。このようにすれば、改質ガスの出口付近に熱を集中させて改質を促進させることができるため、未改質ガスの流出を抑えることができる。
【００１１】
本発明に係る改質装置において、伝熱媒体の材料としては、例えば、アルミナ、好ましくはステンレス鋼、より好ましくはインコネル（登録商標）が挙げられる。このような材料を用いることにより、コストを低減できると共に、伝熱媒体としての伝熱性及び蓄熱性の両方をバランスよく確保できる。耐久性を考慮すると、ステンレス鋼を使用することが好ましく、インコネル（登録商標）を使用することがより好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る改質装置によれば、装置の大型化を図ることなく、水素製造用原料を効率よく改質することのできる改質装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る改質装置を適用した燃料電池システムを示す概略構成図、図２は本発明の一実施形態に係る改質装置の概略構成図である。燃料電池システムは、水素製造用原料を用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、水素製造用原料としては、水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に入手できる水素製造用原料の好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの炭化水素油を挙げることができる。なかでも液体燃料であると好ましく、特に灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫器２、燃料処理システム（ＦＰＳ）３、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）スタック４、インバータ５、及びこれらを収容する筐体６を備えている。
【００１６】
脱硫器２は、外部から導入された水素製造用原料を脱硫するものである。この脱硫器２には、ヒータ（図示せず）が設けられており、これにより、脱硫器２は、例えば水素製造用原料を１３０℃〜１４０℃まで加熱するようになっている。
【００１７】
ＦＰＳ３は、水素製造用原料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質装置３０、ＣＯ変成器１０及び選択酸化器１５を有している。改質装置３０は、水素製造用原料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを製造するものであり、改質器８及びバーナ９を有している。
【００１８】
改質装置３０の改質器８は、脱硫器２から脱硫された水素製造用原料を供給されると共に、外部から水蒸気（水）を供給される。そして、脱硫された水素製造用原料と水蒸気（水）とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。また、改質装置３０のバーナ９は、改質器８の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。なお、バーナ９の燃料として、装置の起動時には脱硫器２からの水素製造用原料を用い、運転中は、ＰＥＦＣスタック４からのオフガスを用いることが好ましい。
【００１９】
ＣＯ変成器１０は、改質器８で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度（ＣＯ）を低減するため、一酸化炭素を水と反応させ、水素シフト反応により水素と二酸化炭素に転換するためのものである。また、選択酸化器１５は、ＣＯ変成器１０で処理された改質ガスの一酸化炭素濃度を更に低減させるため、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化することにより二酸化炭素にするものである。
【００２０】
ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（図示せず）が積み重ねられて構成されており、ＦＰＳ３で得られた改質ガスを用いて発電して直流（ＤＣ）電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された固体高分子である電解質とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。
【００２１】
インバータ５は、出力されたＤＣ電流を交流（ＡＣ）電流に変換する。筐体６は、その内部に脱硫器２、ＦＰＳ３、ＰＥＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容する。
【００２２】
図２は、改質装置３０の具体的な構成を示す概略構成図である。図２に示すように、改質装置３０は、改質器８と、燃焼筒１１と、排ガス流路１２と、水蒸気流路1３と、改質ガス流路１４と、凸部１９とを備えている。この改質装置３０では、燃焼筒１１を同軸的に取り囲むように、内周側から排ガス流路１２、改質器８、水蒸気流路１３の順番で外形が略円柱状に配置され、排ガス流路１２には伝熱媒体としてのアルミナビーズ１７（詳細は後述）が充填されている（図３参照）。
【００２３】
燃焼筒１１は、筒状の筒体１１ａの上端部にバーナ（燃焼部）９を取り付けることによって構成される。この燃焼筒１１は、バーナ９から下方へ火炎Ｆを噴射することによって排ガスＥを発生させ、筒体１１ａによって、バーナ９からの火炎Ｆ及び排ガスＥを下方向へガイドする。また、筒体１１ａの下方側の先端部１１ｂは先端開口１１ｃを有するとともに自由端部とされている。筒体１１ａの先端部１１ｂにおける外周面側には外リング（伝熱媒体支持リング）１６が取り付けられる（詳細は後述）。なお、バーナ９が筒体１１ａの上端部に取り付けられ下向きに配置されているため、液だれなどの入り込みを防止することができる。
【００２４】
改質器８は、その内部に改質反応を行うための改質触媒８ａを有し、燃焼筒１１との間に隙間が設けられるように、燃焼筒１１を取り囲んで配置される。改質器８は、上端側から水素製造用原料である灯油と水蒸気を取り込み、下端側の出口から改質ガスを出す。改質器８と燃焼筒１１との間には、排ガスＥを通過させるための排ガス流路１２が設けられ、改質器８の下端側には改質ガスをＣＯ変成器（図１の１０）などへガイドするための改質ガス流路１４が設けられ、改質器８の外周側には改質器８へ供給するための水蒸気をガイドするための水蒸気流路１３が設けられる。
【００２５】
凸部１９は、筒体１１ａの先端開口１１ｃと対向するように離間して、改質装置３０の底壁３０ａ上に設けられている。凸部１９はドーム状の殻体であり、内部は空隙とされている。これにより、改質装置３０の下部に配置される機器への伝熱を抑えている。また、ドーム状の殻体の外面に沿って排ガスを側方にガイドしている。
【００２６】
このように構成された改質装置３０においては、外部からの灯油と水蒸気流路１３を通過する水蒸気とが、改質器８へ供給され、改質触媒８ａで水蒸気改質反応された後、改質ガスとして改質器８の下端側から改質ガス流路１４へ供給される。このとき、バーナ９の燃焼によって発生した排ガスＥが、筒体１１ａの先端部１１ｂ側（下端側）から改質器８の下部内側面に供給され、改質器８を加熱しながら排ガス流路１２内を上方に向かって通過し、外部へ排気される。なお、このとき、改質器８の上端部側は４００℃程度まで加熱され、下端部側は７００℃程度まで加熱される。
【００２７】
図４は、図２に示すＡの拡大断面図である。図４に示すように、排ガス流路１２には、伝熱性及び蓄熱性が少なくとも空気より高く、粒径が０．５〜３ｍｍ程度のアルミナビーズ（粒状の伝熱媒体）１７が充填されている。この粒状の伝熱媒体は、例えばＳＵＳ３０４，３１０ｓ等のステンレス鋼や、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ニクロム、カンタル（登録商標）などであってもよい。これら粒状の伝熱媒体は、耐久性を考慮すると、ＳＵＳ３１０Ｓであることが好ましく、インコネル（登録商標）であることがより好ましい。また、これら粒状の電熱媒体は、それぞれ大きさが一定であり、且つ真球に近い略球状であることが望ましい。大きさが一定の真球とすることによって、均一に伝熱媒体を充填することを可能とし、これによって、伝熱効率を高くすることができる。なお、排ガス流路１２の上端側には、排ガスＥが流れ込むことによるアルミナビーズの噴出しを防止するための網状の噴出し防止蓋（図示せず）が設けられている。
【００２８】
外リング１６は、筒体１１ａよりも大きな径を有し、その内周面が筒体１１ａの先端部１１ｂの外周面に溶接等されることによって、筒体１１ａと一体化されている。この外リング１６によって、排ガス流路１２の下端の流路幅が狭小化されるとともに、排ガス流路１２内に充填されたアルミナビーズ１７が支持される。外リング１６の外周面と排ガス流路１２の外周側の壁面１２ａとの間には、アルミナビーズ１７の径よりも小さい隙間２０が設けられる。また、筒体１１ａの先端部１１ｂにおける外リング１６が取り付けられた位置よりも上方には、内外を連通する連通孔１１ｄが設けられている。なお、外リング１６の材質としては、ＳＵＳ３１０Ｓが好ましい。
【００２９】
以上によって、排ガス流路１２に伝熱性の高いアルミナビーズ１７が配置されているため、排ガス流路１２を通過する排ガスＥからの熱を改質器８に十分に伝えることができる。これによって、装置の大型化を図ることなく、水素製造用原料を効率よく改質することができる。
【００３０】
また、例えば、燃焼筒１１内の燃焼状態や改質ガスの流量などが急に変動した場合などであっても、アルミナビーズ１７に蓄えられた熱を改質器８へ供給することによって、改質器８内の急激な温度変化を防止することができ、これによって、水素製造用原料の安定した改質が可能となる。
【００３１】
また、伝熱媒体を粒状であるアルミナビーズ１７とすることによって、伝熱媒体の表面積を広くすることができるため、排ガス流路１２を通過する排ガスＥから十分に熱を受け取ることができるようになり、改質器８へ効率よく熱を伝達することができる。また、適度の隙間を設けることができるため、排ガス流路１２内の不要な圧力損失の上昇を抑止することができる。
【００３２】
また、伝熱媒体としてアルミナを用いているため、コストを低減できると共に、伝熱媒体としての伝熱性及び蓄熱性の両方をバランスよく確保できる。
【００３３】
また、燃焼筒１１に直接改質器８が接するのではなく、その間に排ガス流路１２が設けられているため、改質器８が燃焼筒１１の熱により直接炙られることがなく、改質器８の触媒へのダメージを低減することができる。
【００３４】
また、改質器８は、その下部に改質ガスの出口を有し、燃焼筒１１からの排ガスは改質器８下部の内側面に供給されてから、排ガス流路１２を通って上方に抜けるため、改質ガスの出口付近に熱を集中させ改質を促進させて、未改質ガスの流出を抑えることができる。
【００３５】
また、筒体１１ａの先端部１１ｂの加熱による変形を抑制するための外リング１６が、燃焼筒１１の中でも特に変形が生じ易い部分である筒体１１ａの先端部１１ｂに、配置されているため、温度変化による燃焼筒１１の変形を抑制し、改質装置３０の耐久性を向上させることができる。
【００３６】
また、外リング１６が筒体１１ａの外周面に配置されているため、筒体１１ａの先端部１１ｂが補強され、これによって筒体１１ａの先端部１１ｂの内側及び外側への変形を抑制することができる。また、仮に外リング１６と排ガス流路１２の外周面の壁面１２ａを隙間なく固定した場合は、筒体１１ａの先端部１１ｂの代わりに燃焼筒１１のその他の部分で予期せぬ変形が生じてしまい、かえって耐久性を損なう可能性もある。しかし、この改質装置３０によれば、外リング１６と排ガス流路１２の外周面の壁面１２の間に隙間２０を設けているため、予期せぬ変形を防止することができる。
【００３７】
また、バーナ９に対する液だれなどを防止すべく、本実施形態のようにバーナ９から下方へ向けて排ガスＥを発生させ、筒体１１ａの先端部１１ｂ側から排ガス流路１２に排ガスＥを供給する構成としたときに、筒体１１ａの外面側に配置された変形抑制用の外リング１６を粒状のアルミナビーズ１７を支持する支持部材として兼用することができ、部品点数の減少を図ることができる。このとき、筒体１１ａの先端部１１ｂに連通孔１１ｄを設けることによって、排ガスＥを供給するための流路も十分確保することができる。
【００３８】
また、外リング１６を配置することによって、燃料筒１１から排ガス流路１２へ排ガスＥを供給するための流路が塞がれてしまった場合にあっては、排ガスＥの流路を十分に確保することができなくなると共に、圧力損失が上昇してしまう可能性がある。しかし、この改質装置３０によれば、燃焼筒１１からの排ガスＥは、筒体１１ａの先端部１１ｂに設けられた連通孔１１ｄを通過することによって、排ガス流路１２に供給されることができる。これによって、外リング１６を配置した場合であっても、排ガス流路１２を十分に確保することができると共に、圧力損失が上昇してしまうことを防止することができる。
【００３９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００４０】
例えば、排ガス流路１２に配置する伝熱媒体として粒状のアルミナビーズ１７を用いているが、図５に示すように、排ガス流路１２内で上下方向に延在する複数のフィン（フィン状の伝熱媒体）２５を設けてもよい。このフィン２５は、例えばアルミナ、ＳＵＳ３０４，３１０Ｓ等のステンレス鋼や、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ニクロム、カンタル（登録商標）などからなる。これらフィン２５は、耐久性を考慮すると、ＳＵＳ３１０Ｓであることが好ましく、インコネル（登録商標）であることがより好ましい。このようなフィン２５によっても、アルミナビーズ１７と同様の作用・効果を奏する。
【００４１】
更に、スタックは、ＰＥＦＣスタックに限らず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形あるいは固体酸化物形などの他の形式のスタックであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る改質装置を適用した燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る改質装置を示した構成概略図である。
【図３】図２に示す改質装置の横断面図である。
【図４】図２中のＡの部分拡大断面図である。
【図５】他の実施形態に係る改質装置の横断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
８…改質器、９…バーナ（燃焼部）、１１…燃焼筒、１１ａ…筒体、１１ｂ…先端部、１１ｄ…連通孔、１２…排ガス流路、１６…外リング（伝熱媒体支持リング）、１７…アルミナビーズ（粒状の伝熱媒体）、２５…フィン（フィン状の伝熱媒体）、３０…改質装置。
【図１】
0005154993.tif 000002
【図２】
0005154993.tif 000003
【図３】
0005154993.tif 000004
【図４】
0005154993.tif 000005
【図５】
0005154993.tif 000006